MULTIFUNCTIONAL COMPONENT FOR FIBER-OPTICAL COMMUNICATION WITH TRANSFER OF SOLITONS

Full Text

Введение Одно из направлений исследований в области развития телекоммуникационных систем предполагает разработку «умных» средств, обеспечивающих интеллектуализацию волоконно-оптической линии передачи (ВОЛП), или, иными словами, управление информационным сигналом в результате использования оптических устройств ВОЛП. Становится 15.Hasegawa A. Massive WDM and TDM Soliton Transmission Systems. Springer, 2000, - 452 p. 16.Fatome J., Fortier C. e.a. Practical design rules for single-channel ultra high-speed dense dispersion management telecommunication systems // Optics Communications. V. 282, No. 7,2009. - P. 1427-1434. 17.Mamyshev P.V., Mamysheva N.A. Pulse-overlapped dispersion-managed data transmission and intrachannel four-wave mixing // Optics Letters. Vol. 24, No. 21, 1999. - P. 1454-1456. «Инфокоммуникационные технологии» Том 10, № 4, 2012 transmission over 1000 km of standard fiber // Electronics Letters. V. 36, No. 23, 2000. - P. 1949-1951. 13.Патент RU 2435183 С1. Способ реконструкции и увеличения пропускной способности волоконно-оптической линии передачи / Бурдин В.А., Волков К.А., 11.05.2010. 14.Mishra M., Konar S. Interaction of Solitons in a Dispersion Managed Optical Communication System with Asymmetric Dispersion Map // Journal of Electromagnetic Waves and Applications. Vol. 21, No. 14, 2007. - P. 2049-2058. 24 Виноградова И.Л., Кашбиев А.А., Султанов А.Х. актуальным разработка и моделирование таких систем, обеспечивающих заданные дополнительные параметры сигнала, например, определенный уровень выходной мощности или чирпирование и т.д., наряду с очевидным требованием о минимальных вносимых искажениях. Безусловно, все это может решаться соответствующим набором компонентов (в ряде случаев - большим), но чем их больше, тем больше и уровень отраженного сигнала, не говоря уже о неизбежном повышении вносимых сопутствующих искажений. Следовательно, представляет интерес создание волоконно-оптических компонентов ВОЛП, выполняющих фактически сразу несколько функций преобразования оптического сигнала. При этом перспективным направлением является использование оптических эффектов и, соответственно, оптических сигналов управления (там, где это необходимо) без электронных средств. Принцип построения конструкции устройства преобразования Следует отметить, что разработка любого компонента ВОЛП не может обладать актуальностью в отрыве от решаемой телекоммуникационной задачи. Поэтому рассмотрим случай построения волоконнооптической сети с топологией «точка-многоточка», но, в отличие от традиционных PON (Passive Optical Networks), пусть предполагается подключение удаленных (~ 100 км), возможно корпоративных, абонентов. Для этого необходим волоконно-оптический разветвитель lxTV, обеспечивающий, кроме равномерного разделения входного сигнала, уровень мощности в выходных оптических каналах не менее 0 дБм [1], достаточный для передачи к удаленному абоненту. Кроме того, учитывая, во-первых, существенное повышение битовых скоростей (до 1 ... 10 Гбит/с и далее) в системах абонентского доступа [2-3], во-вторых, активное внедрение средств компенсации хроматической дисперсии (ХД), основанных на использовании свойств сигнала и/или эффектов преобразования его на ВОЛП [4-5], пусть рассматриваемое устройство должно выполнять операцию преобразования чирпа, что обеспечит получение, например, отрицательного характера чирпирования излучения в выходных каналах. Действительно, это позволит не только получить требуемый бюджет мощности, но и снизить негативное влияние ХД на ВОЛП. Возьмем за основу волоконно-оптический разветвитель NxN со смесительным элементом [6], см. рис. 1а. В отличие от разветвителей, получаемых в результате скалывания торцов оптических волокон (ОВ) и соответствующего их углового соединения [7], рассматриваемое устройство обеспечивает весьма равномерное разделение входного излучения в выходные каналы для их количества до 150 [6], а использование смесителя с зауженной областью и специальным (рассчитываемым, не обязательно сферическим (несферические профили могут быть удобнее для подключения ОВ с учетом возможного различия их свойств), зависящем от профиля показателя пре Рис. 1. Волоконно-оптическое устройство преобразования со смесительным элементом; а - разветвитель NxN со смесителем: 1 и 2 - входные/выходные световодные каналы, 3 - профиль смесителя; б - разветвитель IxN со смесителем: А - область подачи излучения накачки для эрбиевой среды; Б - информационного сигнала; В - область легирования; в и г - устройства преобразования, содержащие дополнительные световодные каналы: Г - канал для подачи информационного излучения; Д - для подачи накачки (в общем случае каналы Г и Д могут быть основаны на ОВ различных типов); в - передача вида 1x1 и г - вида lxJV, обеспечивающий преобразование и разделение сигнала «Инфокоммуникационные технологии» Том 10, № 4, 2012 Виноградова И.Л., Кашбиев А.А., Султанов А.Х. 25 ломления световодных каналов [8], см. элемент 3 на рис. 1а) профилем позволяет обеспечить одномодовый характер передачи. В данном случае заменим N входных однотипных каналов на два канала - один для подачи излучения накачки (см. А на рис. 1б), а другой - информационного сигнала (см. там же Б). При этом смеситель следует выполнять из материала, легированного редкоземельными элементами, например эрбием, - для передачи в области третьего окна прозрачности ОВ. Входные каналы могут быть основаны, например, на многомодовом и одномодовом световодах соответственно, либо - на многослойном ОВ [9], сердцевинная область которого служит для передачи информационного сигнала, а внешняя часть - накачки. Безусловно, интерферометр Фабри-Перо (ИФП) в составе устройств по рис. 1а и 1б, образованный торцами входных и выходных световодных каналов с расстоянием между ними l0, должен быть настроен на максимум передачи центральной длины волны сигнала Х0? то есть 10=т0 — , где т0 - порядок интерфе-п ренционной картины; n - показатель преломления материала смесителя. Пусть n является неизменным для всего объема смесителя и равным показателю преломления сердцевин световодов, задействованных в устройстве (например, типа SMF-28). Заметим, что наличие эрбиевой среды уже в некоторой степени приведет к положительному смещению чирпа входного излучения - ввиду «включения» эффекта нелинейного преломления. Но для того, чтобы усилить эффект положительного чирпирования, введем в состав устройства дополнительные световодные каналы, рис. 1в и 1г, обеспечивающие как интерференционную задержку коротковолновых, то есть «синих», составляющих излучения относительно длинноволновых, то есть «красных», при соответствующем подборе параметров устройства, так и повышение контрастности интерференционной картины в целом для сравнительно небольших значений коэффициента отражения зеркал ИФП р ~ 0,1 ... 0,4 [10]. Последнее представляет главное условие (р < 0,4) невнесения интерференционных искажений в передаваемый сигнал [11]. Расположение дополнительных световодных каналов в смесителе (например, на входном торце, см. рис. 1в и 1г) выполним с небольшим сдвигом таким образом, чтобы расстояния между торцами соответствующего дополнительного световода длиной lk равнялось бы l Это обеспечит спектральную избирательность для полос ДА* с і центральными длинами волн Хк при / =mo-t, ’ п на которые можно разбить суммарную спектральную ширину ДА,о (с учетом чирпирования) входного излучения. А разницу набега фаз для указанных спектральных составляющих Хк относительно А-ш и т.д. будут обеспечивать разные по длине дополнительные световодные каналы, для «красных» - покороче, а для «синих» - подлиннее. Отличие /од-1 и lot должно оставаться малым и составлять, например, для чирпирован-ного входного излучения с суммарным различием в Ако = 0,05 нм (с параметром чирпирования Сш и -1 [12]), порядка 0,005 нм для K = 30, что обеспечит единый для всего устройства порядок интерференции т и может быть реализовано, в частности, соответствующей огранкой пучка входных световодных каналов. Различие в длинах для 1Ы и 1к и будет определять задержку соответствующей спектральной составляющей и в конечном итоге - чирпирование выходного излучения. Оценка коэффициента отражения зеркал интерферометра Для того, чтобы выполнить моделирование процесса преобразования информационного сигнала в рассматриваемом устройстве и исходя из получаемого результата определить рекомендуемые его конструктивные параметры, необходимо, главным образом, задать коэффициент отражения зеркал ИФП р. Оценим данный параметр из следующего соображения. В устройстве предполагается использовать эрбиевую среду, которая, как известно, при накачке на длине волны 980 нм имеет провал усиления в области 1540 ... 1545 нм [13], что вполне может привести к деградации передаваемых там каналов. Чтобы скомпенсировать провал, подберем рабочую точку ИФП, определяемую через р, таким образом, чтобы максимум передаточной функции ИФП приблизительно совпадал с минимумом передаточной функции эрбиевой среды, то есть находился в пределах 1540 ... 1545 нм, см. рис. 2. Приблизительное совпадение связано с тем, что передаточная функция ИФП симметрична относительно максимума, а зависимость коэффициента усиления эрбиевой среды от длины волны - несимметрична. «Инфокоммуникационные технологии» Том 10, № 4, 2012 26 Виноградова И.Л., Кашбиев А.А., Султанов А.Х. Интенсивность излучения Рис. 2. Многоканальный информационный сигнал: а - поступающий на вход устройства; б - сигнал на входе в ИФП; в - сигнал на выходе ИФП; г - сигнал на выходе устройства Таким образом, длина волны, на которой наступает максимум передаточной функции ИФП ^тах = 1540 нм, для нее интенсивность излучения на выходе ИФП Imax = 1 отн. ед. При изменении длины волны на АХ интенсивность излучения на выходе ИФП изменится на Д/. Пусть для спектральной границы многоканального сигнала ДА, = 1550 нм - 1540 нм = 10 нм. В соответствии с выражением для передаточной функции ИФП [14] запишем 1 1=- 1+tf-sin2 ґ2лп-10Л где Н = 1-А/: Ар \ + Н- sin 2т-10 V^max + (1-Р)2 ком интерференции т1 дает: Соотношение между l0 и поряд- 2пп L п ■■ — •т 2 (2) Из (1) получаем 1-А/ или относительно H: 1 + Н sin2 Ґ Л л 71 _ т\ “'max Ч2 ^max+^V н А/ 1-А/ sin Ґ . Л ГС t ^1 max \2 +АХу Из-за того, что ИФП оказывает влияние также и на излучение накачки, желательно, чтобы интерферометр был настроен на максимум передаточной функции и на длине волны \итр = 980 нм, поэтому, принимая во внимание (2), запишем 1 „ ^-тах Щ _ ^pump Щ ° 4 п 4п (3) Очевидно, что соотношение целочисленных параметров m1 и m2 должно приблизительно соответствовать соотношению к™™ и Хритр- Так как числа 1540 и 980 соотносятся, как 11:7, необходимо выполненить условие тх :т2 =7:11. (4) Пусть значение А/, которое должно соответствовать в относительных единицах перепаду характеристик усиления легированной среды, рис. 2б и 2в, равно AI = 0,87/; что соответствует усилению линейного EDFA - в 9,5 дБм [13]. С учетом этого коэффициент р может быть найден в результате решения системы уравнений 4 р (1-Р)2 Л™, т1 А/ 1-АI л^р sin п щ 2 X + АЛ max 1 1-ж'и (5) 4и 1 -р = 1 Исходя из соображений о реальности параметров конструкции ИФП, а также в соответствии с (4) получено, что при n = 1,48 и т1 = 4103 (для l0 (1) * 4,527 мм и т2 » 6313) коэффициент рк, 0,337. В этом случае эффективное число интерферирующих лучей [14] (число переотражений) в интерферометре составляет 12,358; откуда следует, что N = 12 ... 13. Модель процесса преобразования в интерферометре Приблизительно оценив такие конструктивные параметры устройства, как р, п, К, 10, определяющей т для А,0, необходимо рассчитать длины дополнительных световодов lk (либо среднеарифметическое значение ^ ), а также определить ожидаемую величину относительного смещения спектральных компонентов выходного излучения. Очевидно, что критерием применимости рассматриваемого преобразователя на ВОЛП служит ограничение по вносимым искажениям в передаваемый сигнал. Ввиду того, что в настоящее время подавляющее большинство систем передачи работают с сигналами «меандрового» типа [1], считывание которых производится по уровню амплитудного значения и длительности тактового интервала на основании заданной глаз-диаграммы [15], то опасными искажениями будем считать следующие: «Инфокоммуникационные технологии» Том 10, № 4, 2012 Виноградова И.Л., Кашбиев А.А., Султанов А.Х. 27 - появление многопикового характера формы выходного импульса (под формой импульса следует понимать огибающую его оптической мощности [12]), что связано с интерференционными явлениями в устройстве; - снижение амплитуды импульса, - увеличение его длительности. Первая категория искажений наиболее опасна, так как при длительности пика порядка некоторого Треш он может быть принят решающим устройством за отдельный импульс, что приведет к росту битовых ошибок. Общее снижение амплитуды импульса может быть вызвано отражением от устройства, причем величина А/отр тем больше, чем дальше отстоит от ^щах- В рассматриваемом случае, принимая во внимание (1), а А-о = 1550 нм, ^щах = 1540 нм и пояснения к (5), получаем А/отр < 0,043 отн. ед., что допустимо на ВОЛП [1; 15]. Искажение третьего типа может, опять-таки, быть связано с изменением формы импульса, в частности, из-за перестройки и возможной задержки спектральных составляющих (амплитуды которых в общем случае различны) под действием интерференции. Дисперсионными и нелинейными эффектами пренебрегаем вследствие очевидного недостижения их эффективных длин [12] для полученных /0 и N и реальных физических свойств материала устройства. Для приближенной оценки степени искажений формы выходного импульса запишем и решим систему уравнений (6) для продольных комплекснозначных составляющих Af и Аъ электрической напряженности поля световой волны в смесителе, переносящих импульс [12]. Здесь Af - Фурье-образ суммарной амплитуды составляющих поля, распространяющихся по направлению от первого зеркала ИФП ко второму, рис. 3, и Аь - наоборот: М (.N) YP-я & =]УУ{{М-& N=\ к=1 V +Р'\АЬ <моі+г 2 (л° 2 f (N) dz (6) где Г - коэффициент усиления эрбиевой среды; М - параметр распространения направляемой моды: р(со)= п(о))- — J fik =7Ulnh • Системо ма (6) составлена при допущении пренебрежения интерференционными эффектами внутри дополнительных световодов (интерференция происходит только внутри смесителя) и потерь при прохождении излучения в устройстве и на зеркалах. Рис. 3. Иллюстрация прохождения волны с . (N) л (N) амплитудными составляющими Ау и Аь через зеркальные торцы смесителя в k-ый дополнительный канал Кроме того, между представленными на рис. 3 величинами справедливы следующие алгебраические соотношения: Л (AT) А (N,k) _ . (ЛГ) . АЬ(Ю _ . ЛЬ + Л/ - Af ’ —JN) - Р > Af (7) Результаты моделирования Решение уравнений (6) совместно с (7) методом численного интегрирования на базе программного пакета Synplify 8.1 выполнялось для трех видов начальных условий, характеризующих входной импульс: 4(0,г)= А0 ехр Л2(0,г)= А0 ехр / Ґ N itN 1 т л 2 ’ ч Jo) J ґ і + УС. ґ ТЛ 21 \ 2 ч Jo) ) (8) А$ (о, Т^ — Aq ехр Ґ ГГт\2^ т_ Jo, •ехр С гт\Ы Т V о J где A и То - пиковая амплитуда и параметр, определяющий начальную длительность входного импульса, рис. 4; Сю - параметр чир-пирования [12], определяющий величину и направление смещения мгновенной частоты; Т - время в системе отсчета, связанной с импульсом [12]; I - целочисленный параметр, характеризующий крутизну фронта; и соц -круговая частота излучения, на которой передается центральная часть входного импульса, рис. 4. «Супергауссова» форма A^0, Т) представляет собой нечирпированный входной импульс; A2(0, Т) - обладает несимметричным смещением частоты на протяжении длительности импульса [12]. Предлагаемая форма ^(0, Т) отражает характерные черты импульсов «ме- «Инфокоммуникационные технологии» Том 10, № 4, 2012 28 Виноградова И.Л., Кашбиев А.А., Султанов А.Х. андрового» типа, традиционно генерируемых в результате модуляции тока накачки полупроводникового лазера в широко применяемых SFP-модулях [15-18]. Фронты именно таких импульсов, как правило, содержат характерное смещение частоты, рис. 4, а выбор ■£ ^ 4 обеспечивает приблизительное соответствие формы A3(0, Т) маске линейного сигнала интерфейса 10 Гбит/с, достаточное для выполняемых оценок. Учитывая введенные в рассмотрение виды искажений, связанные главным образом с интерференционной многопиковой структурой выходного импульса, а также для упрощения вычислительных процедур поиск производился не выходной формы целиком, а лишь точек с номерами M, для которых выполнялось = 0 . Очевидно, что общее число пиков равно Мъ =Т>,-1- Далее выполнялось определение длительностей ATt между точками M. и M , характеризующих ширину пиков; после чего находилось АТтах и среднеарифметическое ДТ^. С точки зрения работы решающего устройства -чем более коротким (узким) является пик, тем он безопаснее в смысле нарушения работы приема. И наоборот, при АТі -> треш вероятность ошибки считывания бита возрастает. а) Положитель ный характер чирпирования Отрицательный характер чирпирования Рис. 4. Вид входного импульса (8) при 1=4, содержащего чирпированые фронты: 1 -линейное изменение мгновенной частоты Юмгн, соответствующее реальной физической системе; 2 - получаемое из (8) изменение частоты ю б) Рис. 5. Зависимости параметров искажений от среднеарифметического значения длин дополнительных световодов: а - пунктирные кривые построены для A , тонкие - для A , жирные - для A3; б - тонкие кривые характеризуют AT^, жирные - ДГср; пунктирные кривые построены для A1;1 - A2 и 2 - А3 На рис. 5 представлены результаты расчета, характеризующие искажения. Определена область оптимальных значений /кср с точки зрения меньшего нарушения работы приема - обведена замкнутой линией на рис. 5, а. Несмотря на увеличение количества пиков в данной области, они являются весьма узкими, оставаясь в среднем короче ~ 3-Ю"12 с; пик максимальной длительности соответствует центральной части импульса. Если принять, что для передачи 10 Гбит/с значение Треш ~ 4- 10'11 (см глаз-диаграммы в [15]), то, согласно [7], возможные искажения длительности тактового интервала на величину є < 0,1 • являются допустимыми. Увеличение АГщах и АГср с ростом /кр свыше 40 мм, по-видимому, связано со снижением когерентности интерферирующих лучей и смазыванием интерференционной картины в целом. Расчет разности фаз Аф спектральных составляющих, соответствующих краям спектрального диапазона выходного импульса, выполнен для A1, A2 и A3, рис. 6. Установлено, что для больших /k ср из выбранного диапазона Аф практически линейно растет и слабо зависит от коэффициента отражения р для всех видов рассматриваемых форм. Для меньших «Инфокоммуникационные технологии» Том 10, № 4, 2012 Виноградова И.Л., Кашбиев А.А., Султанов А.Х. 29 значений /кср существеннее оказывают влияние свойства смесителя, см. графики 1-3 на рис. 6, а также начальные условия, характеризующие свойства входного излучения. ІДФ, рад 30 35 40 45 1]С (р, мм Рис. 6. Зависимости для разности фаз спектральных составляющих: тонкие кривые построены для A1: 1 - построена для р = 0,3,2 - для р = 0,35 и 3 -для р = 0,4; штриховая кривая соответствует A2 и утолщенная кривая - A3 Расчет проведен для 7о = 2,5-10"11 с, что соответствует скорости передачи в 10 Гбит/с при кодировании с возвратом к нулю. Значение <»„ было выбрано равным 12,15-1014 рад/с исходя из Хо = 1550 нм; параметр Сш, входящий в A2 и A3, равнялся -1. Учитывая, что входной сигнал на реальных ВОЛП, вероятнее всего, будет содержать отрицательное чирпирование, а также принятые во внимание параметры искажений, предлагается /кср выбирать в диапазоне 40...43 мм. Значение /кср должно быть достаточным для «перевода» отрицательного характера чирпирования в положительное, но еще не приводить к искажению сигнала и ухудшению качества приема. Выводы Предложена конструкция волоконно-оптического интерференционного устройства преобразования параметров оптического сигнала. Действие указанного устройства основано на использовании многолучевой интерференции в двухре-зонаторном интерферометре, обладающем существенной избирательностью к спектральным составляющим входного излучения. Предложено также смеситель, являющийся центральной частью устройства, выполнять из материала, легированного редкоземельным элементом, например эрбием, для повышения мощности выходного сигнала. Выполнена оценка основных конструктивных параметров устройства. Предложено коэффициент отражения зеркал интерферометра, образованного торцами смесителя, выбрать из условия взаимной компенсации передаточной функции ИФП и характеристики усиления легированной среды. Среднее значение длины дополнительных световодов также предложено выбрать исходя из свойств сигнала - при условии минимизации нарушений приема. Проведено моделирование процесса преобразования входного импульса, представленного одной из выбранных суперга-уссовых форм, в устройстве. Это позволило определить диапазон значений средней длины /к,ср дополнительных световодов. Предложенное устройство может представлять интерес при построении разветвленных волоконно-оптических сетей с топологической структурой «точка - многоточка», обслуживающих удаленных абонентов.

About the authors

I. L Vinogradova

Email: tks@ugatu.ac.ru

A. A Kashbiev

Email: kashbiev@activetelecom.ru

A. H Sultanov

Email: tks@ugatu.ac.ru

References

Supplementary files